鬆軟突出煤層反循環鑽進設備及其鑽進工藝的製作方法

2023-05-31 20:38:56

鬆軟突出煤層反循環鑽進設備及其鑽進工藝的製作方法
【專利摘要】鬆軟突出煤層反循環鑽進設備，包括鑽機、主動雙壁鑽杆、雙通道氣水龍頭、鑽頭以及空壓機，所述鑽機上設有動力頭，所述主動雙壁鑽杆貫穿動力頭安裝，主動雙壁鑽杆一端的內管通過雙通道氣水龍頭與膠管相連通，所述膠管末端連接有煤粉接收裝置，所述雙通道氣水龍頭上設有與主動雙壁鑽杆內外管環形通道相通的氣盒子，所述氣盒子通過氣管與空壓機相連，主動雙壁鑽杆的另一端連接有鑽頭。本發明最大限度地減少了對煤層的擾動，有效的防止了孔內坍塌的發生，也就避免了卡鑽事故的頻繁發生；不存在瓦斯聚集的情況，因而有效避免噴孔現象的發生；生產成本低，且有效改善了施工現場作業環境；實現一種鑽杆同時在坍塌和縮徑地層中鑽進。
【專利說明】鬆軟突出煤層反循環鑽進設備及其鑽進工藝

【技術領域】
[0001]本發明涉及地質鑽探【技術領域】，具體為一種鬆軟突出煤層反循環鑽進設備及其鑽進工藝。

【背景技術】
[0002]鬆軟突出煤層在我國可採煤層中佔有很大比例。在鬆軟突出煤層中鑽孔，尤其是地應力高的區域，容易出現噴孔、塌孔、卡鑽等現象，導致鑽孔成孔率低、成孔深度淺，鑽孔施工困難。目前針對鬆軟突出煤層最先進的工藝方法是由煤炭研究總院西安研究院研發的中風壓空氣鑽進技術。
[0003]中風壓空氣鑽進技術是利用獨立鑽進供風系統，對鑽進過程供以中風壓(I?1.3MPa)大排量(17m3/min)的壓縮空氣，再配以寬葉螺旋鑽杆，擾動沉積在鑽孔底部的煤粉，減少卡鑽等孔內事故的發生，並具有一定自處理事故的能力；配以大通孔鑽杆，以利於瓦斯抽排管的置入，從而解決縮徑地層瓦斯抽排管難以置入的問題。該技術對解決鬆軟突出煤層的鑽進問題起到一定作用，但仍存在如下不足之處:
[0004]1、需配置中風壓大風量空壓機，消耗動力大，設備佔用空間大，施工成本高；
[0005]2、對於坍塌地層和縮徑地層要用兩種鑽杆，成本高，並且難以處理既坍塌又縮徑的地層；
[0006]3、由於仍為正循環鑽進，大量煤粉從鑽杆與孔壁間的間隙湧出，一方面對鑽杆產生較大的磨損，另一方面對於坍塌和縮徑地層容易封堵煤粉通道，需用較大的扭矩和較高的空氣壓力與風量來打通煤粉通道；
[0007]4、孔壁間隙因塌孔和縮徑而堵塞，即使用螺旋鑽杆也不可能即刻疏通上返通道，一旦煤層中瓦斯大量釋放，就會聚集於堵塞處，當瓦斯的釋放量和釋放壓力達到一定程度時，噴孔現象將不可避免；
[0008]5、由於正循環鑽進，煤粉從孔口排出，收集處理困難，無法有效改善現場作業環境。


【發明內容】

[0009]本發明所解決的技術問題在於提供一種鬆軟突出煤層反循環鑽進設備及其鑽進工藝，以解決上述【背景技術】中提出的問題。
[0010]本發明所解決的技術問題採用以下技術方案來實現:
[0011]鬆軟突出煤層反循環鑽進設備，包括鑽機、主動雙壁鑽杆、雙通道氣水龍頭、鑽頭以及空壓機，所述鑽機上設有動力頭，所述主動雙壁鑽杆貫穿動力頭安裝，主動雙壁鑽杆一端的內管通過雙通道氣水龍頭與膠管相連通，所述膠管末端連接有煤粉接收裝置(集塵器)，所述雙通道氣水龍頭上設有與主動雙壁鑽杆內外管環形通道相通的氣盒子，所述氣盒子通過氣管與空壓機相連，主動雙壁鑽杆的另一端連接有鑽頭，隨著鑽頭的不斷鑽入地層，在主動雙壁鑽杆和鑽頭之間不斷地加接從動雙壁鑽杆，直至成孔。
[0012]進一步的，雙壁鑽杆的管體與其接頭均採用高級合金鋼製成，管體兩端加厚再與接頭摩擦焊接，外管為外徑為Φ73πιπι的外平式結構，外管扣型為錐度的梯型扣，內管通徑為Φ36_。這裡只述及一種結構形式的雙壁鑽杆來實現本發明的鑽進工藝，可使用不同結構形式的雙壁鑽杆，但適用這種鑽進工藝的雙壁鑽杆的技術特徵是外管的外平式結構，其目的是減小鑽杆在給進和起拔時的阻力，及減小鑽杆對地層的擾動。
[0013]進一步的，所述鑽頭內徑不大於內管通徑，鑽頭內設有內出刃，為利於將煤粉導入內管鑽頭底部設置為喇叭狀，鑽頭外出刃大於雙壁鑽杆的外徑。
[0014]進一步的，雙通道氣水龍頭的外殼與動力頭固定連接，且雙通道氣水龍頭同主動雙壁鑽杆密封連接。
[0015]進一步的，所述空壓機的壓力為0.8MPa，排量為4m3/min，連接氣盒子和空壓機之間的氣管上連接有用於向壓縮空氣中注入泡沫液的泡沫泵。在壓縮空氣中注入泡沫，有助於提高壓縮空氣攜帶煤粉的能力，同時能防止進入煤粉接收裝置的粉塵擴散到空中而形成汙染。
[0016]進一步的，使用內管取出的雙壁鑽杆，在成孔後取出內管和連接在內管上的鑽頭，以便下入瓦斯抽排管或割縫管，進行後續瓦斯抽排工序。
[0017]鬆軟突出煤層反循環鑽進設備的鑽進工藝，包括如下步驟:
[0018]1、空壓機輸出的壓縮空氣通過氣盒子進入雙壁鑽杆的環形通道中，再沿著環形通道通過鑽頭到達孔底；必要時，通過泡沫泵向空壓機輸出的壓縮空氣注入泡沫；其中壓縮空氣可以由泥漿或清水取代；
[0019]2、在開孔段因雙壁鑽杆與孔壁間阻力較小，空氣攜帶煤粉大部分從孔壁間隙返出，小部分從內管返出；隨著孔深加大，雙壁鑽杆與孔壁間阻力也加大，空氣攜帶煤粉從孔壁間隙返出越來越少，從內管返出越來越多，孔深到達5?8米時空氣攜帶煤粉全部從內管返出；
[0020]3、從內管返出的煤粉通過雙通道氣水龍頭通孔，再通過膠管進入煤粉接收裝置中。
[0021]反循環鑽進是相對正循環而言的，利用雙壁鑽杆進行鑽進，壓縮空氣或衝洗液(衝洗介質)從內外管間環形通道送入孔底，再攜帶巖粉或煤粉從內管中返出地面的一種鑽進方法。很好地解決了複雜地層鑽進和取樣問題。
[0022]本發明應用於鬆軟突出煤層的瓦斯抽排工程，將會大大提高鑽進效率，提高成孔率，同時配合高壓水割縫技術，必將成為解決鬆軟突出煤層瓦斯抽排問題的有效方法，必將產生無可估量的經濟效益，對推動能源技術的創新和發展具有重大的社會效益。
[0023]與現有的技術相比，本發明的有益效果如下:
[0024]1、由於衝洗介質從內管返出，而不是像正循環那樣由孔壁間隙返出，因而最大限度地減少了對煤層的擾動，有效的防止了孔內坍塌的發生，也就避免了卡鑽事故的頻繁發生；
[0025]2、鑽進過程中孔底釋放的大量瓦斯可由通暢的內管通道返出，沿孔壁滲出的瓦斯通過穩定的通暢的孔壁間隙順暢地排出，不存在瓦斯聚集的情況，因而有效避免噴孔現象的發生；
[0026]3、由於衝洗介質從內管返出，內管光滑且管徑一致，因而衝洗介質的壓力損失小且恆定，又因為過流斷面要比正循環鑽進時的孔壁間隙小得多，所以滿足煤粉排出地面所需的衝洗液壓力和排量都相對較小，因而可用較小的空壓機或泥漿泵，使設備投資成本降低；
[0027]4、因為孔壁穩定，坍塌少，鑽杆與孔壁摩擦力減小，因而所需鑽機的扭矩和起拔力都減小，從而減少了鑽機投資；
[0028]5、由於衝洗介質從內管返出，可以通過膠管直接導入煤粉接收裝置，無需孔口捕塵裝置，有效改善了施工現場作業環境；
[0029]6、對於縮徑地層，鑽進結束後，可將內管拔出，再下入瓦斯抽排管或割縫管，起到與大通孔鑽杆同樣的作用，實現一種鑽杆同時在坍塌和縮徑地層中鑽進。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1為本發明的結構示意圖；

【具體實施方式】
[0031]為了使本發明的實現技術手段、創作特徵、達成目的與功效易於明白了解，下面結合具體實施例，進一步闡述本發明。
[0032]如圖1所示，鬆軟突出煤層反循環鑽進設備，包括鑽機1、雙壁鑽杆2、雙通道氣水龍頭7、鑽頭4以及空壓機3，所述鑽機I上設有動力頭6，所述雙壁鑽杆2貫穿動力頭6安裝，雙壁鑽杆2 —端的內管通過雙通道氣水龍頭7與膠管10相連通，所述膠管10末端連接有煤粉接收裝置5，所述雙通道氣水龍頭7上設有與雙壁鑽杆2內外管環形通道相通的氣盒子8，所述氣盒子8通過氣管與空壓機3相連，雙壁鑽杆2的另一端連接有鑽頭4。
[0033]為儘量減小卡鑽的可能性，將雙壁鑽杆2外管設計成外平式結構；為配合煤礦主流鑽機，鑽杆外徑為Φ73_;為在有限的鑽杆截面上達到儘可能高的連接強度，外管扣型為錐度的梯型扣；為承受更大的扭力和起拔力，用高級合金鋼加工鑽杆接頭和管體；管體兩端加厚再與接頭摩擦焊接，以提高焊接處的強度；在保證內外管環形通道和內管強度的同時，儘可能地加大內管通徑，擬定內管通徑為36_。
[0034]鑽頭4的外徑和外出刃的大小與反循環形成的效果和鑽杆2與孔壁的摩擦力有關。鑽頭4的外徑和外出刃越大，孔壁間隙越大，則鑽杆2迴轉阻力越小，但越不容易形成反循環，且鑽頭的起拔力越大；鑽頭的外徑和外出刃越小，孔壁間隙越小，則鑽杆2迴轉阻力越大，越容易形成反循環。所以要通過試驗確定適合鬆軟突出煤層的鑽頭4直徑和外出刃。為便於煤粉進入內管，鑽頭4內徑設計成與內管通徑相同，如需下入割縫管，則用較小的內出刃。為利於將煤粉導入內管鑽頭底部設置為喇叭狀，鑽頭4外出刃大於雙壁鑽杆2的外徑有利於提高鑽進效率。
[0035]雙通道氣水龍頭7與雙壁鑽杆2連接，其作用是將衝洗介質導入到鑽杆2的內外管環形通道中。雙通道氣水龍頭的7外殼與動力頭6固定，芯軸轉動，要有可靠且壽命長的密封結構，以保證鑽進工作的正常進行。
[0036]本發明不局限於水平鑽孔，向上、向下傾斜或垂直鑽孔均適用。
[0037]鬆軟突出煤層反循環鑽進設備的鑽進工藝，包括如下步驟:
[0038]1、通過泡沫泵9向空壓機3輸出的壓縮空氣注入泡沫，注入泡沫壓縮空氣通過氣盒子進入雙壁鑽杆2的環形通道中，再沿著環形通道通過鑽頭4到達孔底；其中壓縮空氣可以由泥漿或清水取代；
[0039]2、在開孔段因雙壁鑽杆2與孔壁間阻力較小，空氣攜帶煤粉大部分從孔壁間隙返出，小部分從內管返出；隨著孔深加大，雙壁鑽杆2與孔壁間阻力也加大，空氣攜帶煤粉從孔壁間隙返出越來越少，從內管返出越來越多，孔深到達5?8米時空氣攜帶煤粉全部從內管返出；
[0040]3、從內管返出的煤粉通過雙通道氣水龍頭7通孔，再通過膠管10進入煤粉接收裝置中。
[0041]以上顯示和描述了本發明的基本原理和主要特徵和本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和範圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明範圍內。本發明的要求保護範圍由所附的權利要求書及其等效物界定。
【權利要求】
1.鬆軟突出煤層反循環鑽進設備，包括鑽機、主動雙壁鑽杆、雙通道氣水龍頭、鑽頭以及空壓機，其特徵是:所述鑽機上設有動力頭，所述主動雙壁鑽杆貫穿動力頭安裝，主動雙壁鑽杆一端的內管通過雙通道氣水龍頭與膠管相連通，所述膠管末端連接有煤粉接收裝置，所述雙通道氣水龍頭上設有與主動雙壁鑽杆內外管環形通道相通的氣盒子，所述氣盒子通過氣管與空壓機相連，主動雙壁鑽杆的另一端連接有鑽頭，隨著鑽頭的不斷鑽入地層，在主動雙壁鑽杆和鑽頭之間不斷地加接從動雙壁鑽杆，直至成孔。
2.根據權利要求1所述的鬆軟突出煤層反循環鑽進設備，其特徵是:雙壁鑽杆的管體與其接頭均採用高級合金鋼製成，管體兩端加厚再與接頭摩擦焊接，外管為外徑為Φ 73mm的外平式結構，外管扣型為錐度的梯型扣，內管通徑為Φ36πιπι。
3.根據權利要求1所述的鬆軟突出煤層反循環鑽進設備，其特徵是:所述鑽頭內徑不大於內管通徑，鑽頭內設有內出刃，為利於將煤粉導入內管鑽頭底部設置為喇叭狀，鑽頭外出刃大於雙壁鑽杆的外徑。
4.根據權利要求1所述的鬆軟突出煤層反循環鑽進設備，其特徵是:雙通道氣水龍頭的外殼與動力頭固定連接，且雙通道氣水龍頭同主動雙壁鑽杆密封連接。
5.根據權利要求1所述的鬆軟突出煤層反循環鑽進設備，其特徵是:所述空壓機的壓力為0.8MPa，排量為4m3/min，連接氣盒子和空壓機之間的氣管上連接有用於向壓縮空氣中注入泡沫液的泡沫泵。
6.根據權利要求1所述的鬆軟突出煤層反循環鑽進設備，其特徵是:使用內管可取出的雙壁鑽杆，在成孔後取出內管和連接在內管上的鑽頭，以便下入瓦斯抽排管或割縫管，進行後續瓦斯抽排工序。
7.鬆軟突出煤層反循環鑽進設備的鑽進工藝，其特徵是:包括如下步驟: (1)空壓機輸出的壓縮空氣通過氣盒子進入雙壁鑽杆的環形通道中，再沿著環形通道通過鑽頭到達孔底； (2)在開孔段因雙壁鑽杆與孔壁間阻力較小，空氣攜帶煤粉大部分從孔壁間隙返出，小部分從內管返出；隨著孔深加大，雙壁鑽杆與孔壁間阻力也加大，空氣攜帶煤粉從孔壁間隙返出越來越少，從內管返出越來越多，孔深到達5?8米時空氣攜帶煤粉全部從內管返出； (3)從內管返出的煤粉通過雙通道氣水龍頭通孔，再通過膠管進入煤粉接收裝置中。
【文檔編號】E21B21/14GK104514487SQ201310455280
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2013年9月30日 優先權日:2013年9月30日
【發明者】周升風 申請人:周升風